數(shù)控裝備技術(shù)進(jìn)給伺服詳解

數(shù)控裝備技術(shù)進(jìn)給伺服詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六1優(yōu)選數(shù)控裝備技術(shù)進(jìn)給伺服現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六2§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六3§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制2、常用直流電機(jī)永磁式直流電機(jī)（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）勵(lì)磁式直流電機(jī)無刷直流電機(jī)直流力矩電機(jī)現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六4在數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)給系統(tǒng)常用的直流伺服電機(jī)：1）小慣性直流伺服電機(jī)因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小而得名。這類電機(jī)一般為永磁式。小慣量直流電機(jī)最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以能獲得最快的響應(yīng)速度。在早期的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用得比較多?，F(xiàn)在是5頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六52）大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)（直流力矩電機(jī)）轉(zhuǎn)子直徑較大，線圈繞組匝數(shù)增加，力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，能在較大過載轉(zhuǎn)矩時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作，因此可直接與絲杠相連，不需中間傳動(dòng)裝置。特點(diǎn)：能在較低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，最低可達(dá)1r／min，甚至0.1r／min。數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)在是6頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六63）無刷直流伺服電機(jī)（無整流子電機(jī)）沒有換向器，由同步電機(jī)和逆變器組成，逆變器由裝在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。實(shí)質(zhì)是一種交流調(diào)速電機(jī)，調(diào)速性能可達(dá)到直流伺服發(fā)電機(jī)的水平，又取消了換向裝置和電刷部件，提高了電機(jī)使用壽命。現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六7§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制3、結(jié)構(gòu)極靴機(jī)殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六8直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱機(jī)械特性機(jī)械特性是電機(jī)的靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)負(fù)載的性能，此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與外負(fù)載相等。電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差Δn，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，Δn越小，機(jī)械特性越硬。4、靜態(tài)特性現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六9電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:

KT

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Φ—磁場(chǎng)磁通；Ia—電樞電流；TM

—電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回路的電壓平衡方程式為:

Ua─電樞上的外加電壓；Ra─電樞電阻；Ea─電樞反電勢(shì)。電樞反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系：

Ke─電勢(shì)常數(shù)；ω─電機(jī)轉(zhuǎn)速（角速度）?，F(xiàn)在是10頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六10根據(jù)以上各式可以求得：n0－電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有三種:調(diào)節(jié)電阻Ra調(diào)節(jié)電樞電壓Ua調(diào)節(jié)磁通Φ的值現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六11電樞電阻調(diào)速不經(jīng)濟(jì)，調(diào)速范圍有限，很少采用。調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓調(diào)速）時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0

，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速5、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理如果Δn值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的Δn值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六12調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟，所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機(jī)床主軸電機(jī)調(diào)速?，F(xiàn)在是13頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六13§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制6、直流伺服電機(jī)的速度控制方式（1）晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)

通過改變晶閘管觸發(fā)角，改變伺服電機(jī)的外加電壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六14原理：三相整流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（

1、3、5）和共陽(yáng)極組（2、4、6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通。1、3、5在正半周導(dǎo)通，2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180o。按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60o。462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六15§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制（2）晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)（PWM）利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路兩端，通過對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變轉(zhuǎn)子回路兩端的平均電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六16§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制控制電路簡(jiǎn)單，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好。廣泛應(yīng)用于中、小功率直流伺服系統(tǒng)現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六17§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)振蕩器脈寬調(diào)節(jié)MG電流反饋現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六18直流電機(jī)電壓的平均值:T—脈沖周期，Ton—導(dǎo)通時(shí)間現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六19§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制PWM調(diào)速的特點(diǎn)電機(jī)的損耗、噪聲小系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)頻帶寬低速時(shí)電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)都很小，穩(wěn)速精度高功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，耗損小，控制方便響應(yīng)快功率管承受高峰值電流的能力差?，F(xiàn)在是20頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六20

7、動(dòng)態(tài)特性直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程式為

式中TM─電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；

TL─折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

ω─電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；

J─電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

t─時(shí)間自變量?，F(xiàn)在是21頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六21§4-3直流伺服電機(jī)及速度控制8、直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)

1)低轉(zhuǎn)速大慣量

2)轉(zhuǎn)矩大

3)起動(dòng)力矩大

4)調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小 5）它的電刷和換向器易磨損

6）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制

7）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六22第四節(jié)

交流伺服控制系統(tǒng)現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六23由于直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場(chǎng)合，直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但也存在一些固有的缺點(diǎn)，即：電刷和換向器易磨損，維護(hù)麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高而交流伺服電機(jī)則沒有上述缺點(diǎn)。特別是在同樣體積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率比直流電機(jī)提高10%～70%，且可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比直流電機(jī)高。因此，人們一直在尋求交流電機(jī)調(diào)速方案來取代直流電機(jī)調(diào)速的方案。現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六24§4-4交流伺服電機(jī)及速度控制一.交流伺服電機(jī)1、種類數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的交流電機(jī)一般都為三相。分：異步型和同步型交流伺服電機(jī)。從建立所需氣隙磁場(chǎng)的磁勢(shì)源來說，同步型交流電機(jī)分：電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種?，F(xiàn)在是25頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六25永磁式同步電機(jī)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高；缺點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)特性欠佳。與直流電機(jī)比：外形尺寸、重量、轉(zhuǎn)子慣量大幅減小與異步交流伺服電機(jī)相比：效率高、體積小。異步型交流伺服電機(jī)（與同容量的直流電機(jī)相比）優(yōu)點(diǎn)：重量輕，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速故異步型交流伺服電機(jī)用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六26§4-4交流伺服電機(jī)及速度控制2、永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六27§4-4交流伺服電機(jī)及速度控制3、永磁交流同步伺服電機(jī)工作原理NVSnsnr

θ

S工作原理nr＝ns＝60f1／pns—同步轉(zhuǎn)速，θ—轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角，nr—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，f1—交流電源頻率（定子供電頻率），p—定子和轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六28§4-4交流伺服電機(jī)及速度控制二.同步交流伺服電機(jī)的調(diào)速1、調(diào)速方法從式中可以看出：只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器變頻器分為：

●交–直–交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。

●交–交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。目前對(duì)于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交–直–交變頻器?，F(xiàn)在是29頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六29§4-4交流伺服電機(jī)及速度控制2、正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器M3～UIURUR–整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級(jí)管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷鳎妷悍挡蛔?。為逆變器供電。UI–逆變器由六個(gè)功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其控制極（大功率晶體管GTR為基極）輸入由基準(zhǔn)正弦波（由速度指令轉(zhuǎn)化過來的）和三角波疊加出來的SPWM調(diào)制波（等幅、不等寬的矩形脈沖波），使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止，輸出一系列功率級(jí)等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波，其脈寬按正弦分布，以此脈沖列來等效正弦電壓波，即功率級(jí)SPWM電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等?，F(xiàn)在是30頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六30SPWM逆變器的工作原理把一個(gè)正弦半波分做N等分，如下圖（N＝7）；然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來代替；矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可以用相同的方法來等效。現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六31與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六32在實(shí)際中采用“調(diào)制”的方法，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波(Carrierwave)，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波(Modulationwave)，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六33單極性控制方式現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六34雙極性控制方式現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六35§4-4交流伺服電機(jī)及速度控制3、SPWM的優(yōu)點(diǎn)1）主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)；2）采用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)提高；3）逆變器同時(shí)調(diào)頻調(diào)壓，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間環(huán)節(jié)影響；4）可獲得更接近于正弦波的輸出電壓波形?，F(xiàn)在是36頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六36§4-4交流伺服電機(jī)及速度控制4、交流伺服電機(jī)的發(fā)展（1）永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展①新永磁材料的應(yīng)用釹鐵硼②永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機(jī)③與機(jī)床部件一體化的電機(jī)空心軸永磁交流同步伺服電機(jī)（2）交流主軸伺服電機(jī)的發(fā)展①輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī)

三角-星形切換，繞組數(shù)切換或二者組合切換。②液體冷卻電機(jī)

③內(nèi)裝式主軸電機(jī)現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六37第五節(jié)

機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六38§4-5進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置的選型

進(jìn)給系統(tǒng)的選型是以數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，與數(shù)控裝置的選型有密切的關(guān)系，機(jī)床各軸的進(jìn)給速度、整機(jī)的加工精度、加工范圍、傳動(dòng)方式等都直接對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能提出了要求。各生產(chǎn)廠家通常提供了與數(shù)控裝置配套的驅(qū)動(dòng)裝置。現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六391、選型原則

1）實(shí)用性：選型的目的是為滿足整機(jī)的設(shè)計(jì)需要，從而滿足生產(chǎn)的要求。

2）經(jīng)濟(jì)性：在滿足加工要求的條件下，選型要最經(jīng)濟(jì)或較為合理。

3）穩(wěn)定、可靠性：長(zhǎng)時(shí)間無故障的工作。

4）可操作性：

a.要符合本單位的使用和設(shè)計(jì)的習(xí)慣；

b.若出現(xiàn)故障易于排除。現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六40二、選型內(nèi)容

1.驅(qū)動(dòng)裝置的控制類型根據(jù)加工精度和進(jìn)給速度的要求選擇類型：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于加工精度要求不高的機(jī)床，分辨率在0.01mm以上，最高快移速度在5m/min以下。伺服電動(dòng)機(jī)用于加工精度要求較高的機(jī)床，其分辨率在0.001mm以上，最高快移速度在10m以上。

2.反饋類型加工精度要求不高的簡(jiǎn)易機(jī)床一般用開環(huán)控制系統(tǒng)。加工精度要求高的中檔普及型機(jī)床一般選用半閉環(huán)。加工精度要求很高的高檔機(jī)床才選用全閉環(huán)和混合閉環(huán)。現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期六413.進(jìn)給系統(tǒng)的分辨率根據(jù)機(jī)床的加工要求合理選擇其脈沖當(dāng)量。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角考慮驅(qū)動(dòng)裝置的細(xì)分倍數(shù)交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置的分辨率受電動(dòng)機(jī)的編碼器和驅(qū)動(dòng)裝置的控制功能的影響，一般可達(dá)1/10000r左右。4.電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的選擇根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的最高快移速度、傳動(dòng)比和絲杠螺距來選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

注意：選擇時(shí)應(yīng)保留一定的余量?，F(xiàn)在是42頁(yè)